專利名稱：用于等離子體診斷的Langmuir多探針控制電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于等離子體診斷技術領域，涉及接觸式診斷方法，具體地說，是指一種用于等離子體診斷的Langmuir多探針控制電路。
背景技術：
等離子體診斷分為接觸式和非接觸式兩種，Langmuir探針技術屬于接觸式測量的一種，是最早應用于等離子體診斷的有效工具。1923-1935年期間，朗繆爾(Langmuir)首次使用靜電探針診斷等離子體，發(fā)展了基本方法和理論，對探針技術作了大量開創(chuàng)性的研究工作，所以靜電探針稱為Langmuir探針。靜電探針是一個伸入等離子體中的導體，它可以有各種形狀和大小，這取決于具體的實驗要求，而最常用的有球形、圓柱和平板三種形狀，制作探針的材料一般使用鎢、金、鉬、銥、
yM墨寸。Langmuir探針工作時，將探針置于等離子體中，那么等離子體、探針和外部電路構成電流回路。探針的電勢由外部電路的偏置電壓決定，探針同等離子體之間存在有電勢差，因而吸引等離子體中的帶電粒子。探針電勢的變化、空間位置的變化導致探針吸引的帶電粒子的數量發(fā)生變化，反應為探針電路中的電流發(fā)生改變。探針吸收的電流同等離子體的狀態(tài)有關，通過測量不同條件下的探針電流，得到探針的電壓電流曲線，然后根據相應的探針理論進行分析和計算，就可以獲得等離子體溫度、密度、電位等參數。目前，最廣泛應用于等離子體診斷的是Langmuir單探針，因為單探針方法能夠得到的等離子體參數最多，如懸浮電位、空間電位、電子溫度、電子濃度、電子能量分布。但是在單探針理論中，只有一個探針作為參考電極，這時需要使用放電噴口的陽極、陰極或與等離子體接觸的室壁等作為另一個參考電極，但是這個參考電極在有些場合是找不到的，t匕如在無極放電、余輝放電、電離層等離子體的情況下無法找到。而且在有些等離子體中等離子體的空間電位是周期變化的，或者是隨時間衰減變化的。單探針測量時，避免不了等離子體空間電位的影響，所以這時單探針是無法進行測量的。因此，必須找到一個電極來監(jiān)測空間等離子體的電位變化，這樣發(fā)展出了 Langmuir雙探針的懸浮測量法。Langmuir雙探針有兩個電極，雙探針電路僅與兩根探針之間的很小一部分等離子體作用形成探針回路，整個回路處于整體懸浮狀態(tài)，對等離子體擾動小，受等離子體空間電位影響小，能夠測量等離子體中更小體積范圍內的電子溫度、電子濃度。Langmuir單探針和雙探針方法都需要在特定測點處對探針進行電壓掃描，記錄相應電壓狀態(tài)下的電流值，以獲得典型的電流-電壓(1-V)特征曲線，然后對特征曲線進行相應的分析、計算才能獲得等離子體參數。這個分析計算過程十分復雜、數據量大、需要豐富的經驗，僅適用于穩(wěn)態(tài)等離子體的參數測量，對瞬時放電的等離子體參數的測量存在一定的局限性。為了克服這些障礙，Chen和Sekiguchi(見參考文獻[I]:Chen, S.L., and Sekiguchi, Τ.，“Instantaneous Direct-Display Systemof Plasma Parameters by Means of Triple Probe,，’Journal of Applied Physics, Vol.26，N0.8，1965，pp.2363 - 2375.)在1965年給出了三探針方法，該方法是一個新的簡單的方法，它不需要進行電壓掃描就可以在某個測點上計算出電子溫度和電子濃度的值。下面分別介紹三種理論方法及其簡單的實驗電路。Lagmuir單探針的測量原理圖見附圖1。圖1中I是Langmuir探針,2是等離子體，3是交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置，4是電壓測量設備，5是電流測量設備。調節(jié)交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置(Power Unit)3,輸出掃描電壓,使Langmuir探針I(yè)電位產生正負周期變化，測量回路中對應于每個電壓值的電流值，繪制成圖，就構成了理想的Langmuir單探針的伏安特性曲線，見圖2。從圖2中可以直接得到的參量有:懸浮電位Vf，等離子體空間電位Vs,電子飽和電流Ιε(ι，離子飽和電流Isat。通過Langmuir單探針理論,可以計算得到等離子體電子溫度、電子密度及電子的能量分布。Lagmuir雙探針的測量原理圖見圖3。同樣，調節(jié)交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置3，輸出掃描電壓，使Langmuir探針I(yè)的電位產生正負周期變化,測量回路中對應于每個電壓值的電流值，繪制成圖，就構成了理想的Langmuir雙探針的伏安特性曲線,見圖4。與單探針不同的是，雙探針的伏安特性曲線是對稱的，直接可以得到離子飽和電流Isatl和1-2。通過Langmuir雙探針理論，還可以計算得到等離子體電子溫度、電子密度。Lagmuir三探針的測量原理圖見附圖5。三探針的其中兩根探針分別接在直流供電電壓發(fā)生裝置6輸出電壓的兩端，另外一根探針懸浮。當有等離子體2通過時，只要測量出浮置探針和正偏置探針之間的電勢差Vd2和正負偏置探針回路之間的電流I就可以根據三探針理論計算出等離子體電子溫度和電子濃度的值。三探針方法不僅可以測量穩(wěn)態(tài)等離子體，也是瞬態(tài)等離子體測量的有力工具。綜上所述,如果在等離子體參數測量診斷的過程中，將Langmuir單探針、雙探針和三探針三種方法有機結合起來，就可以快捷、準確、全面地得到穩(wěn)態(tài)等離子體和瞬態(tài)等離子體的特性參數。

發(fā)明內容
本發(fā)明是一種將Langmuir單探針、雙探針、三探針三種不同的診斷技術有機結合在一起的多探針系統(tǒng)，可以通過切換外電路的不同設置，方便快捷地達到三種不同診斷方法之間的轉換，從而獲得不同診斷方法條件下的等離子體電子溫度、電子濃度(離子濃度)、懸浮電位、空間電位等參數。本發(fā)明提供的用于等離子體診斷的Langmuir多探針控制電路充分利用了 Langmuir單探針、雙探針、三探針三種診斷方法在供電電源、清洗方法、探針使用、測量參量等方面的相同點，將三種診斷方法有機組合在一起。整個控制電路位于等離子體裝置之外，可以在保持等離子體裝置內部狀態(tài)不變的情況下，通過切換控制電路中的開關來進行Langmuir單探針、雙探針和三探針不同診斷方法之間的選擇，并實現(xiàn)對探針的清洗操作。所述的控制電路包括三個Langmuir單探針、交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置、直流供電電壓發(fā)生裝置、雙刀雙擲開關、反向開關，第一雙刀三擲開關、第二雙刀三擲開關、第一單刀單擲開關、第二單刀單擲開關和轉換電阻，其中，三個Langmuir探針之間連接有第一單刀單擲開關和第二單刀單擲開關，分別控制上下兩根Langmuir單探針和中間Langmuir單探針的導通性；所述的雙刀雙擲開關的兩個下位分別連接交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置的正極和負極，兩個上位分別連接反向開關的正極和負極，所述的反向開關連接直流供電電壓發(fā)生裝置的正負極。所述的第一雙刀三擲開關的雙刀引腳與雙刀雙擲開關的雙刀引腳之間并聯(lián)連接轉換電阻、第一電壓測量設備和第二電壓測量設備；第一雙刀三擲開關和第二雙刀三擲開關的上中下三位對應連接；第一雙刀三擲開關下位觸點接地，第二雙刀三擲開關的下位觸點懸空，第二雙刀三擲開關的雙刀引腳分別與上中兩根Langmuir單探針相接；上Langmuir單探針與下Langmuir單探針之間接入第三電壓測量設備。本發(fā)明的優(yōu)點在于:(I)利用了三種探針診斷方法在實驗設備上的相同點，可以節(jié)約實驗成本。(2)結合三種診斷方法的不同點，通過轉換控制電路切換不同方法，方便快捷，大大縮短實驗周期。(3)加入了探針的清洗電路，可以在實驗過程中對探針進行清洗，使實驗結果更加準確。


圖1是Langmuir單探針的測量原理圖；圖2是理想的Langmuir單探針的1-V曲線；圖3是Langmuir雙探針的測量原理圖；圖4是理想的Langmuir雙探針的1-V曲線；圖5是Langmuir三探針的測量原理圖；圖6是本發(fā)明提供的用于等離子體診斷的Langmuir多探針控制電路結構示意圖。圖中:1-Langmuir多探針；2_等離子體裝置；3_交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置；4_電壓測量設備；5_電流測量設備；6_直流供電電壓發(fā)生裝置；7_函數信號發(fā)生器；8_功率放大器；S1為雙刀雙擲開關；S2為反向開關；S3和S4分別為第一雙刀三擲開關和第二雙刀三擲開關；S5和S6分別為第一單刀單擲開關和第二單刀單擲開關；R1為轉換電阻；V1、V2和V3分別為第一、第二和第三電壓測量裝置。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的實施方式。本發(fā)明中將三根直徑0.3mm的鶴絲作為Langmuir多探針1，安裝在同一根耐高溫氧化鋁(Al2O3)四孔陶瓷管中，彼此之間相互隔開2mm的距離。鎢絲和屏蔽同軸電纜線焊接在一起，通過特制的法蘭盤整體穿過等離子體裝置2的器壁，與控制電路的輸出端連接在一起。整個控制電路位于等離子體裝置2之外，可以在保持等離子體裝置2內部狀態(tài)不變的情況下，通過切換控制電路中的開關來進行Langmuir單探針、雙探針和三探針不同診斷方法之間的選擇，并實現(xiàn)對探針的清洗操作。如圖6所示，本發(fā)明提供的用于等離子體診斷的Langmuir多探針控制電路，主要包含了 Langmuir多探針1、交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置3、直流供電電壓發(fā)生裝置6、雙刀雙擲開關S1、反向開關S2，第一雙刀三擲開關S3、第二雙刀三擲開關S4、第一單刀單擲開關S5、第二單刀單擲開關S6和轉換電阻R1，V1、V2和V3分別為第一、第二和第三電壓測量裝置。其中，Langmuir多探針探針I(yè)的三根探針之間連接有第一單刀單擲開關S5和第二單刀單擲開關S6，分別控制上下兩根探針與中間探針的導通性。所述的雙刀雙擲開關SI的兩個下位分別連接交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置3的正極和負極，兩個上位分別連接反向開關S2的正極和負極，所述反向開關S2連接直流供電電壓發(fā)生裝置6的正負極。所述的第一雙刀三擲開關S3的雙刀引腳與雙刀雙擲開關SI的雙刀引腳之間并聯(lián)連接轉換電阻R1、電壓測量設備Vl和電壓測量設備V2。第一雙刀三擲開關S3和第二雙刀三擲開關S4的上中下三位對應連接；第一雙刀三擲開關S3的下位觸點接地，第二雙刀三擲開關S4的下位觸點懸空；第二雙刀三擲開關S4的雙刀引腳分別與上中兩根探針相接；上探針與下探針之間接入第三電壓測量設備V3。第一電壓測量設備Vl通過測量轉換電阻Rl (Rl=IkQ)兩端的電壓值，來確定回路電流I，相當于電流測量設備。第二電壓測量設備V2用來測量測量回路中探針的電位。這兩路測量信號接入到采集系統(tǒng)內，生成電流-電壓(1-V)特征曲線。第一電壓測量設備Vl和第二電壓測量設備V2的測量數據是通過HBM的GEN2i便攜式數據記錄儀(數據采集儀共16個差分隔離通道，每個通道的最大采集速率為200kS/s)來采集、顯示和存儲的。將Langmuir多探針I(yè)浸入到等離子體裝置2中，并使多探針系統(tǒng)固定在等離子體裝置2中，通過特制的法蘭盤使每個探針的信號引出線穿過等離子體裝置2的器壁引出。等離子體裝置2的器壁接地。將多探針系統(tǒng)包含三個Langmuir探針，各自連接一根信號引出線，其中兩根信號引出線連接到電路控制系統(tǒng)的輸出端，另外一根信號引出線懸浮。函數信號發(fā)生器7和功率放大器8串聯(lián)組成了交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置3，用來給Langmuir單探針和雙探針提供掃描電壓。交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置3使用GffINSTEK廠家GFG-8020H型號的函數信號發(fā)生器7和功率放大器8串聯(lián)而成，方便調節(jié)鋸齒波的輸出頻率(1-1M Hz)和輸出幅值(±100V)。直流供電電壓發(fā)生裝置6采用SUING SS2323可跟蹤直流穩(wěn)定電源，可輸出0-64V范圍內可調的直流穩(wěn)壓信號，由兩臺可跟蹤直流穩(wěn)定電源串聯(lián)而成，可以給Langmuir三探針供給40V的直流測量電壓，也可以輸出100V左右的清洗電壓，用以探針的清洗。采用本發(fā)明提供的用于等離子體診斷的Langmuir多探針控制電路，可以實現(xiàn)單探針診斷電路、雙探針診斷電路和三探針診斷電路，具體實現(xiàn)方式如下:1、單探針診斷電路:將雙刀雙擲開關S1、第一雙刀三擲開關S3和第二雙刀三擲開關S4都打到下位，第一單刀單擲開關S5和第二單刀單擲開關S6斷開，這樣交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置3的正極輸出到一根探針，負極輸出接地，成為使用三根探針中其中一根作為Langmuir單探針的診斷電路。調節(jié)交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置3，輸出正負周期掃描電壓，使用第二電壓測量設備V2測量Langmuir探針I(yè)兩端電壓，回路電流通過測量轉換電阻Rl兩端的電壓轉化而來。將電壓信號作為X軸，電流信號作為I軸繪制成圖，即成單探針的1-V曲線，通過單探針原理獲得相應的等離子體參數。如果把第一單刀單擲開關S5和第二單刀單擲開關S6閉合，即:使用短接在一起的三根探針作為單探針來使用，提高了探針的采集面積，在一定程度上提高了采集信號的信噪比。通過單探針原理可以得到等離子體特定測點處的懸浮電位、空間電位、電子濃度、電子溫度及電子能量分布。2、雙探針診斷電路:將雙刀雙擲開關SI打到下位，第一雙刀三擲開關S3和第二雙刀三擲開關S4打到中位，第一單刀單擲開關S5和第二單刀單擲開關S6斷開，成為使用三根探針中其中兩根作為Langmuir雙探針的診斷電路。交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置3的輸出電壓兩極分別接到兩根探針上，這樣，雙探針的電路是整體懸浮的，減少了對等離子體的擾動。調節(jié)交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置3，輸出正負周期掃描電壓，測量和記錄兩根探針之間的電壓和回路電流繪制成圖，就形成了雙探針的1-V曲線。通過雙探針原理可以獲得被測等離子體的電子溫度和電子濃度。3、三探針診斷電路:將雙刀雙擲開關SI打到上位，第一雙刀三擲開關S3和第二雙刀三擲開關S4打到上位，第一單刀單擲開關S5和第二單刀單擲開關S6斷開,就構成了 Langmuir三探針的診斷回路。調節(jié)直流供電電壓發(fā)生裝置6的輸出，設定電壓輸出幅值為40V，電源的輸出兩極分別接在其中的兩根探針上，另外一根探針懸浮。使用第三電壓測量設備V3測量正偏置探針和懸浮探針之間的電勢差，回路電流仍然由轉換電阻Rl換算而來，就可以根據三探針理論計算出被測等離子體的電子溫度和電子濃度。4、清洗電路由于實驗過程中可能會導致探針污染，所以本發(fā)明的控制電路中也設計了探針的清洗電路。清洗電路是給探針加以±100V左右的電壓，利用探針在電壓作用下吸引等離子體中的電子和離子來轟擊探針表面，達到清除探針表面污染物的目的。將直流供電電壓發(fā)生裝置6的輸出幅值調節(jié)到100V左右，將雙刀雙擲開關SI打到上位，第一雙刀三擲開關S3和第二雙刀三擲開關S4打到下位，第一單刀單擲開關S5和第二單刀單擲開關S6閉合，這樣將三根探針短路成一根探針來進行清洗，清洗電壓發(fā)生裝置采用兩臺SUING SS2323可跟蹤直流穩(wěn)定電源串聯(lián)而成，可輸出0-128V范圍內可調的直流穩(wěn)壓信號。為了保證清洗的對稱性和充分性，可以通過反向開關S2來不時地改變清洗電源的極性。本發(fā)明是在充分考慮了 Langmuir單探針、雙探針、三探針三種診斷方法在供電電源、清洗方法、探針使用、測量參量方面存在的相同點或差異點的基礎上，充分利用相同點，利用電路控制系統(tǒng)來區(qū)分開三種不同的診斷方法。整個電路控制系統(tǒng)位于等離子體裝置之夕卜，可以在保持等離子體裝置內部狀態(tài)不變的情況下，通過切換電路控制系統(tǒng)中的開關來進行Langmuir單探針、雙探針和三探針不同診斷方法之間的選擇,并實現(xiàn)對探針的清洗操作。
權利要求
1.用于等離子體診斷的Langmuir多探針控制電路,其特征在于:所述的控制電路整體位于等離子體裝置之外，通過切換控制電路中的開關來進行Langmuir單探針、雙探針和三探針不同診斷電路之間的選擇，并提供清洗電路實現(xiàn)對探針的清洗操作。
2.根據權利要求1所述的用于等離子體診斷的Langmuir多探針控制電路,其特征在于:所述的控制電路包括上中下三個Langmuir單探針、交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置、直流供電電壓發(fā)生裝置、雙刀雙擲開關、反向開關、第一雙刀三擲開關、第二雙刀三擲開關、第一單刀單擲開關、第二單刀單擲開關和轉換電阻，其中，上中下三個Langmuir單探針之間分別連接有第一單刀單擲開關和第二單刀單擲開關，分別控制上下兩根Langmuir單探針和中間Langmuir單探針的導通性；所述的雙刀雙擲開關的兩個下位分別連接交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置的正極和負極，兩個上位分別連接反向開關的正極和負極，所述反向開關連接直流供電電壓發(fā)生裝置的正負極； 所述的第一雙刀三擲開關的雙刀引腳與雙刀雙擲開關的雙刀引腳之間并聯(lián)連接轉換電阻、第一電壓測量設備和第二電壓測量設備；第一雙刀三擲開關和第二雙刀三擲開關的上中下三位對應連接；第一雙刀三擲開關下位觸點接地，第二雙刀三擲開關的下位觸點懸空，第二雙刀三擲開關的雙刀引腳分別與上中兩根Langmuir單探針相接；上Langmuir單探針與下Langmuir單探針之間接入第三電壓測量設備。
3.根據權利要求1或2所述的用于等離子體診斷的Langmuir多探針控制電路，其特征在于，所述的Langmuir單探針診斷電路: 將雙刀雙擲開關、第一雙刀三擲開關和第二雙刀三擲開關都打到下位，第一單刀單擲開關和第二單刀單擲開關斷開，這樣交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置的正極輸出到一根Langmuir單探針,負極輸出接地，成為使用三根Langmuir單探針中其中一根作為Langmuir單探針的診斷電路；調節(jié)交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置，輸出正負周期掃描電壓，使用第二電壓測量設備測量Langmuir單探針兩端電壓，第一電壓測量設備測量轉換電阻兩端的電壓，回路電流通過 轉換電阻兩端的電壓轉化而來。
4.根據權利要求1或2所述的用于等離子體診斷的Langmuir多探針控制電路，其特征在于:所述的Langmuir單探針診斷電路，將雙刀雙擲開關、第一雙刀三擲開關、第二雙刀三擲開關都打到下位，第一單刀單擲開關和第二單刀單擲開關閉合，使用短接在一起的三根Langmuir單探針作為一個Langmuir單探針來使用。
5.根據權利要求1或2所述的用于等離子體診斷的Langmuir多探針控制電路,其特征在于:所述的Langmuir雙探針診斷電路: 將雙刀雙擲開關打到下位，第一雙刀三擲開關、第二雙刀三擲開關打到中位，第一單刀單擲開關和第二單刀單擲開關斷開，成為使用三根Langmuir單探針中的上中兩根探針作為Langmuir雙探針的診斷電路；交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置的輸出電壓兩極分別接到兩根探針上；分別使用第一電壓測量設備和第二電壓測量設備來獲得探針電壓和回路電流。
6.根據權利要求1或2所述的用于等離子體診斷的Langmuir多探針控制電路,其特征在于:所述的Langmuir三探針診斷電路: 將雙刀雙擲開關打到上位，第一雙刀三擲開關、第二雙刀三擲開關打到上位，第一單刀單擲開關和第二單刀單擲開關斷開，就構成了 Langmuir三探針的診斷回路；調節(jié)直流供電電壓發(fā)生裝置的輸出，設定電壓輸出幅值為40V，電源的輸出兩極分別接在其中的兩根Langmuir單探針上，另外一根Langmuir單探針懸浮；使用第三電壓測量設備測量正偏置Langmuir單探針和懸浮Langmuir單探針之間的電勢差，回路電流仍然由第一電壓測量設備測量轉換電阻兩端的電壓轉化而來。
7.根據權利要求1或2所述的用于等離子體診斷的Langmuir多探針控制電路，其特征在于:所述的清洗電路: 將直流供電電壓發(fā)生裝置的輸出幅值調節(jié)到100V，將雙刀雙擲開關打到上位，第一雙刀三擲開關、第二雙刀三擲開關打到下位，第一單刀單擲開關和第二單刀單擲開關閉合，這樣將三根探針 短路成一根Langmuir單探針來進行清洗，通過反向開關來改變清洗電源的極性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于等離子體診斷的Langmuir多探針控制電路，屬于等離子體診斷技術領域?？刂齐娐氛w位于等離子體裝置之外，包括三個Langmuir單探針、交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置、直流供電電壓發(fā)生裝置、雙刀雙擲開關、反向開關、第一雙刀三擲開關、第二雙刀三擲開關、第一單刀單擲開關、第二單刀單擲開關和轉換電阻，通過切換控制電路中的開關來進行Langmuir單探針、雙探針和三探針不同診斷電路之間的選擇，并提供清洗電路實現(xiàn)對探針的清洗操作。本發(fā)明利用了三種探針診斷方法在實驗設備上的相同點，可以節(jié)約實驗成本。結合三種診斷方法的不同點，通過轉換控制電路切換不同方法，方便快捷，大大縮短實驗周期；可以在實驗過程中對探針進行清洗，使實驗結果更加準確。
文檔編號H05H1/00GK103140009SQ20131003899
公開日2013年6月5日 申請日期2013年1月31日 優(yōu)先權日2013年1月31日
發(fā)明者湯海濱, 張尊, 楊淵 申請人:北京航空航天大學